ヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法
【課題】外光が明るい条件下でも虚像に対して視認性が良いヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法を提供する。
【解決手段】外部からの画像信号に基づいて照明光源１２から射出した光から１次像を生成し、１次画像光として射出する画像表示１７と、１次画像光を拡大するリレーレンズ１８と、入射した１次画像光の結像により２次像を生成し、２次画像光として反射する反射ミラー２０と、入射した２次画像光に基づいて２次像の虚像を生成し、虚像光として反射して拡大投影する凹面鏡２１とを備える。
【解決手段】外部からの画像信号に基づいて照明光源１２から射出した光から１次像を生成し、１次画像光として射出する画像表示１７と、１次画像光を拡大するリレーレンズ１８と、入射した１次画像光の結像により２次像を生成し、２次画像光として反射する反射ミラー２０と、入射した２次画像光に基づいて２次像の虚像を生成し、虚像光として反射して拡大投影する凹面鏡２１とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、視認性が良いヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車などの車両においては、運転席の前方に運転情報を表示するための各種の表示装置が取り付けられているが、この他に、最近、例えば自動車内でフロントガラス越しに速度情報などの運転情報や、ナビ情報とか、無線を介して送信された道路混雑情報などを虚像で表示できるヘッドアップディスプレイが提案されている。
【０００３】
この種のヘッドアップディスプレイは各種の構造形態があるが、従来例の一例として、運転者の好みに応じて虚像の表示サイズを調節することができるヘッドアップディスプレイがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図１４は従来のヘッドアップディスプレイを示した構成図である。
【０００５】
図１４に示した従来のヘッドアップディスプレイ１００は、特許文献１に開示されているものであり、ここでは特許文献１を参照して簡略に説明する。
【０００６】
図１４に示した如く、従来のヘッドアップディスプレイ１００は、ケーシング１０１内に、移動自在な液晶パネル１０２と、反射鏡１０３と、凹面鏡１０４とを備えている。
【０００７】
この際、運転者がスイッチ１０５を縮小（Ａ）する方向又は拡大（Ｂ）する方向に操作すると、コントローラ１０６からの指令により液晶パネル１０２が反射鏡１０３に対して前後に移動可能になっている。
【０００８】
また、画像処理回路１０７からの画像信号によって液晶パネル１０２に表示された画像は、反射鏡１０３で反射されて光路の方向を変えて凹面鏡１０４に入射され、この後、凹面鏡１０４で反射された画像が光路の方向を更に変えて不図示のフロントウインドシールの視界領域部の裏面に入射されるので、運転者はフロントウインドシールの前方に表示情報を虚像１０８として視認でき、且つ、液晶パネル１０２を前後に移動させることにより、運転者の好みに応じて虚像１０８の表示サイズを調節することができる旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１７５７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、従来のヘッドアップディスプレイ１００によれば、液晶パネル１０２の移動位置に応じてフロントウインドシールの前方に表示された虚像１０８の表示サイズを調節することができるが、液晶パネル１０２を移動させるための移動機構及びこの移動機構を駆動するための駆動源が必要となり、ヘッドアップディスプレイ１００が高価になるという問題がある。
【００１１】
また、従来のヘッドアップディスプレイ１００では、フロントウインドシール上での虚像１０８の表示位置が反射鏡１０３及び凹面鏡１０４の配置関係により固定されているために、運転者の目Ｅの高さ位置のバラツキに対して対応することが困難であるという問題がある。
【００１２】
更に、従来のヘッドアップディスプレイ１００において、フロントウインドシールから運転者の目Ｅの高さ位置までに十分な距離と視野角を確保するためには、凹面鏡１０４の曲率半径を大きくし、倍率を低く抑える必要がある。
【００１３】
一方、フロントウインドシール越しに見える虚像１０８の視認性を良くし、且つ、虚像１０８を大きく表示するには、凹面鏡１０４の曲率半径を小さくして拡大倍率を高くしなければならず、このときに凹面鏡１０４の曲率半径が小さくなると、視点を少し動かすだけで急激に画像の歪が増大すると共に、視野が狭いので虚像１０８が見えにくくなるという問題が生じるので、凹面鏡１０４としては相反するこれらの要求を同時に満足できない。
【００１４】
従って、従来のヘッドアップディスプレイ１００では、虚像１０８の表示サイズを大きくする場合に、液晶パネル１０２を拡大（Ｂ）する方向に移動させることで解決できるが、前述したように、コストアップを招いている。また、虚像１０８を大きく拡大表示すると暗くなるため、晴天時などでは虚像１０８の視認性に問題が生じる。
【００１５】
そこで、画像を表示する画像表示素子（例えば、液晶パネル）を移動させずに、例えば自動車のフロントガラスに形成した投射面上に虚像を大きく表示でき、且つ、観察者（運転者）の目の高さ位置のバラツキに対しても虚像１０８を視認することができると共に、外光が明るい条件下でも虚像に対して視認性が良いヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、第１の発明は、光源（１２）と、
前記光源（１２）から射出した光（Ｌｗ）が画素領域（１７ａ）に入射した際に、外部からの画像信号（２２ａ）に基づいて１次像（Ｇ１）を生成し、生成された前記１次像（Ｇ１）を含む１次画像光（Ｌｇ１）として射出する画像表示素子（１７）と、
前記画像表示素子（１７）から射出した前記１次画像光（Ｌｇ１）を拡大する変倍光学系（１８）と、
前記変倍光学系（１８）で拡大された前記１次画像光（Ｌｇ１）の結像位置に配設され、入射した前記１次画像光（Ｌｇ１）が結像することにより２次像（Ｇ２）を生成し、前記２次像（Ｇ２）を含む２次画像光（Ｌｇ２）として反射する反射ミラー（２０）と、
前記反射ミラー（２０）で反射した前記２次画像光（Ｌｇ２）の光路上に配設され、入射した前記２次画像光（Ｌｇ２）に基づいて前記２次像（Ｇ２）の虚像を生成し、前記虚像を含む虚像光（Ｌｖｉ）として反射して拡大投影する凹面鏡（２１）と、
を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ（１０Ａ又は１０Ｂ）である。
【００１７】
また、第２の発明は、上記した第１の発明のヘッドアップディスプレイ（１０Ａ又は１０Ｂ）において、
前記反射ミラー（２０）に入射した前記１次画像光（Ｌｇ１）が前記２次画像光（Ｌｇ２）として反射する際に、前記２次画像光（Ｌｇ２）が所定の指向性を有して拡散することを特徴とするヘッドアップディスプレイ（１０Ａ又は１０Ｂ）である。
【００１８】
また、第３の発明は、上記した第１又は第２の発明のヘッドアップディスプレイ（１０Ａ又は１０Ｂ）において、
前記反射ミラー（２０）は、前記１次画像光（Ｌｇ１）の入射面側に、基板（２０ａ）上に形成された反射層（２０ｂ）と、前記反射層（２０ｂ）上に積層された拡散層（２０ｃ）とを備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ（１０Ａ又は１０Ｂ）である。
【００１９】
また、第４の発明は、上記した第２又は第３の発明のヘッドアップディスプレイ（１０Ａ又は１０Ｂ）において、
前記反射ミラー（２０）から反射した光の反射強度が最大値となる位置を０度とし、前記反射強度が前記最大値（ｅ）の半分となる角度を半値角（α）とした際に、前記半値角（α）の絶対値が５°以上１０°以下であることを特徴とするヘッドアップディスプレイ（１０Ａ又は１０Ｂ）である。
【００２０】
また、第５の発明は、上記した第１〜第４のいずれかの発明のヘッドアップディスプレイ（１０Ｃ）において、
前記変倍光学系（１８）と前記反射ミラー（２０）との間に前記反射ミラー（２０）の前方に密着又は接近してフィールドレンズ（３０）を設置したことを特徴とするヘッドアップディスプレイである。
【００２１】
また、第６の発明は、上記した第１〜第４のいずれかの発明のヘッドアップディスプレイ（１０Ｄ）において、
前記変倍光学系（１８）と前記反射ミラー（２０）との間に前記反射ミラー（２０）の前方に密着又は接近してフィールドレンズ（３０）を設置すると共に、前記フィールドレンズ（３０）をこのフールドレンズ（３０）の中心軸（Ｊ）と直交した方向に移動可能に構成したことを特徴とするヘッドアップディスプレイである。
【００２２】
更に、第７の発明は、画素領域（１７ａ）に光が入射した際に、外部からの画像信号（２２ａ）に基づいて１次像（Ｇ１）を生成し、生成された前記１次像（Ｇ１）を含む１次画像光（Ｌｇ１）として射出する１次画像光射出ステップと、
前記１次画像光射出ステップで射出した前記１次画像光（Ｌｇ１）を拡大する１次画像光拡大ステップと、
前記１次画像光拡大ステップで拡大した前記１次画像光（Ｌｇ１）が結像することにより２次像（Ｇ２）を生成し、生成した前記２次像（Ｇ２）を含む２次画像光（Ｌｇ２）として指向性を有して拡散反射する拡散反射ステップと、
前記拡散反射ステップで反射した前記２次画像光（Ｌｇ２）を凹状反射面（２１ａ）で更に反射させて、前記２次像の虚像を含む虚像光（Ｌｖｉ）を投影面（１ａ）上に投影する虚像投影ステップと、
を有することを特徴とする画像表示方法である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、小さな画像表示素子を用いても観察者に対し大きな虚像を表示することができると共に、観察者は投影された虚像を歪みなく良好に視認できる。
【００２４】
また、視点をずらしても観察者は虚像を良好に視認することができ、且つ、外光が明るい条件下でも虚像を良好に視認できる。
【００２５】
また、体格の異なる別の観察者が投影された虚像を観察する場合にも、投影された虚像を良好に視認できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る実施例のヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法を説明するために模式的に示した図である。
【図２】図１に示した２次像結像用の反射ミラーを拡大して示した図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は図２に示した２次像結像用の反射ミラーに形成した拡散層の反射指向性を説明するために模式的に示した図である。
【図４】本発明に係る実施例のヘッドアップディスプレイにおいて、２次像結像用の反射ミラーに反射指向性を持たせた場合に、観察者が目を動かしても虚像をフロントガラス越しに見ることができる様子を模式的に示した光線図である。
【図５】本発明に係る実施例のヘッドアップディスプレイを例えば自動車に適用したときの具体的な設計例を説明するための図である。
【図６】本発明に係る実施例のヘッドアップディスプレイにおいて、２次像結像用の反射ミラーに形成した拡散層の半値角に対する明るさと視野半径との関係をシミュレーションしたときの結果を説明するための図である。
【図７】実施例を一部変形させた変形例１のヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法を説明するために模式的に示した図である。
【図８】実施例を一部変形させた変形例２のヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法を説明するために模式的に示した図である。
【図９】実施例を一部変形させた変形例２のヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法に対する比較例を説明するために模式的に示した図である。
【図１０】（ａ），（ｂ）は実施例を一部変形させた変形例２のヘッドアップディスプレイにおいて、２次像結像用の反射ミラーの前方に密着又は接近してフィールドレンズを設置した場合に、観察者が目を動かしても虚像をフロントガラス越しに見ることができる様子を模式的に示した光線図である。
【図１１】（ａ），（ｂ）は実施例及び変形例２を一部変形させた変形例３のヘッドアップディスプレイにおいて、２次像結像用の反射ミラー及びフィールドレンズをフィールドレンズの中心軸と直交させて移動可能に構成した場合に、観察者が目を動かしても虚像をフロントガラス越しに見ることができる様子を模式的に示した光線図である。
【図１２】（ａ），（ｂ）は実施例及び変形例２を一部変形させた変形例３のヘッドアップディスプレイにおいて、図１０に示した状態と図１１に示した状態とを合わせて観察者が目を動かしても虚像をフロントガラス越しに見ることができる様子を模式的に示した光線図である。
【図１３】（ａ），（ｂ）は変形例２及び変形例３に用いられるフィールドレンズ及び反射ミラーを拡大して示した断面図である。
【図１４】従来のヘッドアップディスプレイを示した構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に本発明に係るヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法の一実施例について図１〜図１３を参照して詳細に説明する。
【実施例】
【００２８】
図１に示した如く、本発明に係る実施例のヘッドアップディスプレイ１０Ａは、箱状に形成された筐体１１Ａ内に、照明用光源１２と、コリメータレンズ１３と、フィールドレンズ１４と、偏光板１５と、偏光ビームスプリッタ１６と、画像表示素子１７と、変倍光学系となるリレーレンズ１８と、光路方向を変更する光路転換用のミラー１９と、２次像の結像及び結像した２次像を反射する反射ミラー２０と、凹面鏡２１とを備えている。更に、反射型液晶パネル１７に対して画像信号を送る画像信号発生器２２を備えている。画像信号発生器２２は、筐体１１Ａ内に配置してもよい。
【００２９】
ここで、画像表示素子１７として、反射型液晶パネルや、透過型液晶パネルとか、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）などが適用可能であるが、以下の説明では、画像表示素子１７として高精細な画像を表示することが容易な反射型液晶パネルを適用した例について説明する。
【００３０】
この際、画像信号発生器２２は、自動車内に設けたスピードメータ，各種計器類からの運転情報や、ナビゲーション装置からのナビ情報とか、無線を介して送信された道路混雑情報などを基にして画像信号２２ａを生成している。この画像信号２２ａに基づいて反射型液晶パネル（画像表示素子）１７が駆動されることにより、入射した光が反射型液晶パネル１７で変調され、反射型液晶パネル１７の画素領域１７ａに１次像（１次画像）Ｇ１が表示されるようになっている。
【００３１】
ここで、実施例のヘッドアップディスプレイ１０Ａについて具体的に説明する。照明用光源１２は、メタルハライドランプ，キセノンランプ，ハロゲンランプ，ＬＥＤ（発光ダイオード）などを用いることができ、筐体１１Ａの右下方に配置されている。この照明用１２から射出された無偏光の白色光Ｌｗは、コリメータレンズ１３で平行光に変換された後にフィールドレンズ１４を介して偏光板１５に入射する。入射した無偏光の白色光Ｌｗは、この偏光板１５で一方向の偏光成分である直線偏光、例えばＳ偏光（又はＰ偏光）のみが分離されて透過する。
【００３２】
偏光板１５を透過したＳ偏光（又はＰ偏光）は、偏光ビームスプリッタ１６に入射して、この内部に形成された偏光分離膜１６ａで反射される。反射されたＳ偏光（又はＰ偏光）は、光路の向きを反射型液晶パネル１７の方向に９０°変えられて、フィールドレンズ１４を透過することによって反射型液晶パネル１７の画素領域１７ａを照明している。
【００３３】
尚、偏光板１５を設けない構成も可能であり、この場合には偏光ビームスプリッタ１６の偏光分離１６ａによって無偏光の白色光から一方向の直線偏光を分離すれば良い。
【００３４】
この後、反射型液晶パネル１７では、画像信号発生器２２から送られた画像信号２２ａに基づいて入射した光の偏光状態が変調される。具体的には、入射した光の偏光成分であるＳ偏光（又はＰ偏光）は、画像信号２２ａに基づいて異なる他方向の偏光成分であるＰ偏光（又はＳ偏光）に変換され、１次像Ｇ１が形成される。形成された１次像Ｇ１を含む１次画像光Ｌｇ１は、反射型液晶パネル１７で反射されて射出される。
【００３５】
そして、反射型液晶パネル１７から射出された１次画像光Ｌｇ１は、偏光ビームスプリッタ１６に再び入射する。偏光ビームスプリッタ１６では、１次画像光Ｌｇ１のうち反射型液晶パネル１７で変調された成分として例えばＰ偏光（又はＳ偏光）が、偏光分離１６ａを透過して射出する。射出したＰ偏光（又はＳ偏光）は、リレーレンズ１８に入射して、リレーレンズ１８によって拡大されて、この拡大された１次画像光Ｌｇ１’がミラー１９に入射して光路の方向が２次像結像用の反射ミラー２０の方向に変更されて反射して射出される。光路転換用のミラー１９から射出されて反射ミラー２０に入射したＰ偏光（又はＳ偏光）であり且つ拡大された１次画像光Ｌｇ１’は、反射ミラー２０上に結像して２次像（２次画像）Ｇ２を生成して反射ミラー２０で反射される。
【００３６】
この際、光路転換用のミラー１９は２次像Ｇ２を結像する機能は有してなく、リレーレンズ１８と２次像結像用の反射ミラー２０との配置関係により光路を転換する機能を有しているにすぎないものである。
【００３７】
ここで、上記した２次像結像用の反射ミラー２０は、この実施例の要部を構成する光学部材であり、光を単に反射する通常のミラー（図示せず）を用いてリレーレンズ１８から射出された光で２次像Ｇ２を結像させる構成もあるが、この実施例における２次像結像用の反射ミラー２０では、光が入出射する面に反射指向性を有する反射指向性面２０ｂｃが形成されている。
【００３８】
即ち、２次像結像用の反射ミラー２０は、図２に拡大して示した如く、光学ガラス基板２０ａ上に鏡面状の反射層２０ｂが例えば金属膜により形成され、更に、反射層２０ｂ上に入射した光に対して反射指向性を有して拡散させる拡散層２０ｃが積層されている。
【００３９】
この際、拡散層２０ｃは、光透過性を有しており、入射した光を下方の反射層２０ｂに入射させ、反射層２０ｂで反射させるものであり、表面に微細な凹凸加工を施されたポリマーや、パール素材、微細な粒子を並べたものなどを用いて形成されている。
【００４０】
従って、２次像結像用の反射ミラー２０は、光学ガラス基板２０ａ上に反射層２０ｂと拡散層２０ｃとが積層されることにより、前述したように、光学ガラス基板２０ａ上に反射指向性を有する反射指向性面２０ｂｃが形成されているものとして以下説明する。
【００４１】
尚、光学ガラス基板２０ａ上に形成した反射層２０ｂは、必ずしも金属膜でなくとも入射した光に対して高い反射率を有すれば良いものであり、反射層２０ｂ上に拡散層２０ｃを積層しないで通常のミラーとして用いることも可能である。
【００４２】
尚また、拡散層２０ｃは、上記した各素材に限ることなく、例えば、Ｌｕｍｉｎｉｔ社製の拡散制御フィルム（ＤＣＦ：Ｄｆｆｕｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｏｒｏｌ Ｆｉｌｍ）などを透明接着剤により反射層２０ｂ上に接着しても良い。この拡散制御フィルムは高透過率であり、複数種類の拡散角度が予め用意されているので、所望の拡散角度のものを選択することができ、好適である。
【００４３】
この際、図３（ａ），（ｂ）に示した如く、拡散層２０ｃの拡散角度θに対して反射強度ｅはガウス分布特性を有している。拡散層２０ｃの反射指向性は、半値角±αを用いて評価することができる。
【００４４】
この半値角±αは、拡散層２０ｃに垂直入射した光線が反射したときに最大反射強度ｅとなる角度を０度とし、反射強度が最大反射強度ｅに対して半分の値ｅ／２に低下するときの角度のことであり、入射した光線を中心としてプラス側とマイナス側とに現れる。
【００４５】
この実施例では拡散層２０ｃの半値角±αとして、その絶対値を５゜以上１０°以下に設定しているが、この設定理由については後で詳述する。
【００４６】
ここで再び図１に戻り、２次像結像用の反射ミラー２０上に結像された２次像Ｇ２を含む２次画像光Ｌｇ２について説明する。反射ミラー２０上に結像された２次像（２次画像）Ｇ２は、２次画像光Ｌｇ２となって反射ミラー２０で反射され、この反射ミラー２０で反射された２次画像光Ｌｇ２の光路上に設置された凹面鏡２１に向けて射出する。
【００４７】
更に、凹面鏡２１に入射した２次像Ｇ２を含む２次画像光Ｌｇ２は、２次像の虚像ＶＩを生成し、凹面鏡２１の凹状反射面２１ａで反射されて、２次像の虚像ＶＩを含む虚像光Ｌｖｉが筐体１１Ａの上方に開口した開口部１１ａを通って例えば自動車に設けられた光透過性を有するフロントガラス１上で観察者（運転者）側に形成した投影面１ａ上に投影される。
【００４８】
この際、フロントガラス１に形成した投影面１ａの領域は、「コンバイナ」とも呼ばれている。このコンバイナは、例えば、光透過性を有する金属膜や誘電多層膜またはホログラムフィルムより形成され、一部を透過し一部を反射する特性を有する。またコンバイナはフロントガラス１の一部の領域に形成しても良いし、又は、フロントガラス全体に形成しても良い。
【００４９】
この後、フロントガラス１に形成した投影面１ａ上に投影された２次像の虚像ＶＩを含む虚像光Ｌｖｉの一部は、投影面１ａで観察者（運転者）側に反射されて観察者の目Ｅに入るので、観察者はフロントガラス越しに２次像の虚像光Ｌｖｉ、即ち、３次像を観察することができる。
【００５０】
従って、本発明に係る画像表示方法では、画素領域１７ａに表示された１次像Ｇ１を含む１次画像光Ｌｇ１を射出するステップと、１次像Ｇ１を含む１次画像光Ｌｇ１を拡大して２次像Ｇ２を含む２次画像光Ｌｇ２を得るステップと、２次像Ｇ２を含む２次画像光Ｌｇ２を、反射指向性を有する反射指向性面２０ｂｃ上に結像して反射させるステップと、反射指向性面２０ｂｃで反射した２次像Ｇ２を含む２次画像光Ｌｇ２を凹状反射面２１ａで反射させて、２次像の虚像ＶＩを含む虚像光Ｌｖｉを投影面１ａ上に投影するステップと、を有している。
【００５１】
この際、実施例の比較例として２次像結像用に単純なミラー（図示せず）を用いた場合には、２次像Ｇ２を含む２次像光Ｌｇ２が単純なミラー（図示せず）で反射したときの反射光が直進するために観察者（運転者）の目Ｅが設計高さ位置にある場合は虚像ＶＩを観察できるが、少しでも目Ｅの高さ位置がずれると光が届かなくなるために虚像ＶＩを観察できにくくなるという傾向がある。
【００５２】
そこで、上記に対してこの実施例では、２次像Ｇ２を含む２次像光Ｌｇ２が２次像結像用の反射ミラー２０上に形成した反射指向性面２０ｂｃで拡散しながら反射するときの半値角±α（図３）を適宜設定することにより、観察者の目Ｅの高さ位置の移動に対応して虚像ＶＩを十分に視認することができるように改善されている。
【００５３】
尚、反射指向性面２０ｂｃを仮に完全拡散面のように拡散性を広く持たせすぎると、実際に反射した光線のうち観察者の目Ｅに届く光は極わずかとなって、２次像Ｇ２の明るさのほとんどを捨てることになり、観察される虚像ＶＩが非常に暗い画像になってしまう。
【００５４】
即ち、図４は、本発明に係る実施例のヘッドアップディスプレイ１０Ａにおいて、２次像結像用の反射ミラー２０に反射指向性を持たせた場合に、観察者が目Ｅを動かしても虚像ＶＩをフロントガラス越しに見ることができる様子を光線図で模式的に表したものである。
【００５５】
図４において、観察者の目Ｅの高さ位置Ａが虚像ＶＩ−ａを観察する本来の設計位置であるが、観察者の目Ｅの高さを位置Ｂあるいは位置Ｃに動かした場合でも、２次像光Ｌｇ２の反射光が指向性を有して拡散されているので、観察者は虚像ＶＩ−ｂ，ＶＩ−ｃをそれぞれの位置で視認することができる。
【００５６】
この際、２次像結像用の反射ミラー２０に形成した拡散層２０ｃの半値角±αの絶対値は、後述する理由により５°以上１０°以下に設定しているが、拡散層２０ｃの半値角±αの絶対値を例えば１０°に設定した場合に、観察者の目Ｅの高さ位置を図中に視野半径で表示した上下（位置Ａから位置Ｂ方向あるいは位置Ｃ方向）にそれぞれ約１００ｍｍ程度動かしても、明るさがほとんど低下しないようにすることができる。ここで、視野半径は、観察者の目Ｅの高さ位置を設計位置である位置Ａから上（位置Ｂ）方向、下（位置Ｃ）方向に移動させた際の、目Ｅの高さ位置の移動範囲の半分の値のことである。
【００５７】
尚、上記した視野半径は、凹面鏡２１の曲率を変えることで調整可能であり、曲率を小さく、言い換えると、曲率半径を大きくすれば、視野半径値を大きく設定できるが、ヘッドアップディスプレイ１０Ａが大型化してしまう。そこで、具体的な設計例を下記する。
【００５８】
次に、実施例のヘッドアップディスプレイ１０Ａを例えば自動車に適用したときの具体的な設計例について図５を用いて説明する。
【００５９】
図５に示した如く、実施例のヘッドアップディスプレイ１０Ａにおいて、反射型液晶パネル１７は矩形状の画素領域１７ａの外形サイズが対角１８ｍｍであり、この画素領域１７ａに表示された１次像Ｇ１をリレーレンズ１８により拡大して２倍の対角３６ｍｍの２次像Ｇ２を反射ミラー２０の反射指向性面２０ｂｃ上に結像させる。
【００６０】
また、凹面鏡２１の凹状反射面２１ａの曲率半径は５００ｍｍである。
【００６１】
ここで、観察者の目Ｅの高さ位置からフロントガラス１の投影面１ａの中心位置までの長さをａ、フロントガラス１の投影面１ａの中心位置から虚像ＶＩの位置までの長さをｂ、凹面鏡２１の凹状反射面２１ａの中心位置からフロントガラス１の投影面１ａの中心位置までの長さをｃ、２次像結像用の反射ミラー２０の反射指向性面２０ｂｃから凹面鏡２１の凹状反射面２１ａの中心位置までの長さをｄとする。
【００６２】
そして、上記したａ，ｃ，ｄの各寸法を、ａ＝４５０ｍｍ，ｃ＝３００ｍｍ，ｄ＝２００ｍｍに設定すると、ｂの寸法はｂ＝１５５０ｍｍとなる。
【００６３】
つまり、フロントガラス１の投影面１ａから１５５０ｍｍ先の位置に虚像ＶＩが形成される。即ち、これは観察者の目Ｅの高さ位置から２メートル先に縦１１２ｍｍ、横１４０ｍｍの虚像Ｖ１が形成されることであり、フロントガラス１から観察者までは４５０ｍｍと十分な距離を確保することができる。
【００６４】
また、虚像Ｖ１のサイズは、反射型液晶パネル１７の画素領域１７ａに表示された１次像Ｇ１に対して約１０倍に拡大されて投影されることになる。
【００６５】
ここで、上記したように実施例のヘッドアップディスプレイ１０Ａを設計した際に、先に図１及び図２を用いて示した２次像結像用の反射ミラー２０に形成した拡散層２０ｃの半値角に対する明るさと視野半径との関係をシミュレーションしたときの結果について図６を用いて説明する。
【００６６】
図６中において、横軸は拡散層２０ｃの半値角±αの絶対値α［°］を示し、縦軸の左側は明るさ［ｃｄ／ｍ２：カンデラ/平方メートル］を示し、縦軸の右側は視野半径［ｍｍ］を示している。
【００６７】
この際、光源１２（図１）に５０ワットのランプを用いている。この図６が示すように、２次像結像用の反射ミラー２０に形成した拡散層２０ｃの拡散性を広げることで視野すなわち、虚像ＶＩ（図１）を視認できる範囲の半径は広がるが、半値角αが１０°で視野半径（■印）が飽和することがわかる。
【００６８】
一方、明るさ（○印）は、半値角αの二乗で減衰していくので、指向性を広げると急激に明るさが低下することがわかる。昼の明るいときでも虚像ＶＩ（図１）を視認できるためには５０００ｃｄ／ｍ２以上、望ましくは１００００ｃｄ／ｍ２の輝度が必要とされる。
【００６９】
また、運転時に頭を動かすことを考えると、視野半径は５０ｍｍ以上、望ましくは１００ｍｍ以上を確保することが望ましい。これらを勘案すると半値角±αの絶対値は５°以上１０°以下が望ましく、これにより輝度と視野の広さを両立することができる。
【００７０】
これにより、２次像結像用の反射ミラー２０に形成した拡散層２０ｃの半値角±αの絶対値を５°以上１０°以下に設定することで、虚像ＶＩの視認範囲を広げることが可能となるので、観察者の目Ｅの高さ位置のバラツキに対応できると共に、当然、観察者の身長の違いなどにも対応できる。
【００７１】
この際、明るさは、光源１２（図１）のパワーを上げることによっても調整可能であるが、車内での利用や環境対応を考えると省電力化が重要であり、消費電力を低減することが必要である。そのため、実施例では２次像結像用の反射ミラー２０上に反射指向性を有する反射指向性面２０ｂｃを形成して明るさを確保することで、外光が明るい条件下でも虚像ＶＩに対して視認性が良いヘッドアップディスプレイ１０Ａを提供可能としている。
【００７２】
上記したように、実施例のヘッドアップディスプレイ１０Ａ及び画像表示方法によれば、反射型液晶パネル１７の画素領域１７ａに表示された１次像Ｇ１を含む１次画像光Ｌｇ１をリレーレンズ１８により拡大して２次像結像用の反射ミラー２０上に２次像Ｇ２を形成して２次像Ｇ２を含む２次画像光Ｌｇ２として反射させた後に、２次像Ｇ２を含む２次画像光Ｌｇ２を凹面鏡２１の凹状反射面２１ａで反射させて２次像の虚像ＶＩを含む虚像光Ｌｖｉをフロントガラス１の投影面１ａ上に投影している。
【００７３】
この結果、１次像Ｇ１を拡大した２次像Ｇ２を形成することによって、小さな反射型液晶パネル（画像表示素子）１７を用いても最終的に観察者に対し大きな虚像ＶＩを表示することができると共に、凹面鏡２１による拡大倍率を低く抑えることができる。そのため、観察者からフロントガラス１の投影面１ａまでの間に十分な距離を取ることができるので、観察者は投影された虚像ＶＩを歪みなく良好に視認できる。
【００７４】
この際、２次像結像用の反射ミラー２０の反射指向性面２０ｂｃは反射指向性を有し、２次像Ｇ２を含む２次画像光Ｌｇ２を拡散しながら指向性を持って凹面鏡２１側に反射させるので、観察者が視点を多少ずらしても凹面鏡２１を介して投影された虚像ＶＩを良好に視認することができる。更に、虚像ＶＩを効率的に観察者の目に届けることができるので、外光が明るい条件下でも虚像ＶＩに対して視認性が良いヘッドアップディスプレイ１０Ａを提供することができる。
【００７５】
次に、実施例を一部変形させた変形例１のヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法について、図７を用いて実施例に対して異なる点についてのみ説明する。
【００７６】
尚、図７中で実施例と同一構成部材に対しては同一の符号を付して図示し、詳述を省略する。
【００７７】
図７に示した如く、実施例を一部変形させた変形例１のヘッドアップディスプレイ１０Ｂ及び画像表示方法では、箱状に形成した筐体１１Ｂ内の図７における右下方に、反射型液晶パネル（画像表示素子）１７が配置されており、反射型液晶パネル１７の画素領域１７ａに表示された１次像Ｇ１を含む１次画像光Ｌｇ１をリレーレンズ１８により拡大する。拡大された１次画像光Ｌｇ１’は、このリレーレンズ１８と対向して筐体１１Ｂ内の右上方に配置した２次像結像用の反射ミラー２０に入射して反射ミラー２０上に２次像Ｇ２が結像される。
【００７８】
そのため、実施例で説明した光路転換用のミラー１９を設ける必要がないので、変形例１のヘッドアップディスプレイ１０Ｂを簡素化及び小型化できる点が実施例に対して異なっている。
【００７９】
従って、この変形例１でも実施例と同様に、変形例１のヘッドアップディスプレイ１０Ｂを用いてフロントガラス越しに虚像ＶＩを表示する場合には、反射型液晶パネル１７の画素領域１７ａに表示された１次像Ｇ１を含む１次画像光Ｌｇ１をリレーレンズ１８により拡大して反射ミラー２０上に２次像Ｇ２を形成し、反射ミラー２０で反射された２次像Ｇ２を含む２次画像光Ｌｇ２を凹面鏡２１の凹状反射面２１ａで反射させて２次像の虚像ＶＩを含む虚像光Ｌｖｉをフロントガラス１の投影面１ａ上に投影しているので、実施例と同様の効果を得ることができる。
【００８０】
次に、実施例を一部変形させた変形例２のヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法について、図８〜図１０を用いて実施例に対して異なる点についてのみ説明する。
【００８１】
尚、図８〜図１０中で実施例と同一構成部材に対しては同一の符号を付して図示し、詳述を省略する。
【００８２】
図８に示した如く、実施例を一部変形させた変形例２のヘッドアップディスプレイ１０Ｃ及び画像表示方法では、反射型液晶パネル（画像表示素子）１７の前方に設置した変倍光学系となるリレーレンズ１８と、光学ガラス基板２０ａ上に反射層２０ｂ及び拡散層２０ｃを積層して２次像の結像及び結像した２次像を反射する反射ミラー２０との間に、フィールドレンズ３０が反射ミラー２０の反射指向性面２０ｂｃに密着又は接近して設置されている点が実施例に対して異なっている。
【００８３】
一方、変形例２の比較例として、図９に示したように光学ガラス基板２０ａ上に反射層２０ｂ及び拡散層２０ｃを積層した反射ミラー２０の前方にフィールドレンズを設置しない場合には、先の実施例及び実施例を一部変形させた変形例１に相当するものである。
【００８４】
即ち、図９に示した如く、反射型液晶パネル１７の画素領域１７ａに表示された１次像Ｇ１を含む１次画像光Ｌｇ１がリレーレンズ１８により拡大され、この拡大された１次画像光Ｌｇ１’は２次像結像用の反射ミラー２０の反射指向性面２０ｂｃ上に２次像Ｇ２として結像される。２次像Ｇ２を含む２次画像光Ｌｇ２は反射ミラー２０の反射指向性面２０ｂｃで拡散光として反射された後に、拡散光である２次画像光Ｌｇ２が凹面鏡２１の凹状反射面２１ａに入射する。この際、反射ミラー２０の前方にフィールドレンズがないと、反射ミラー２０の反射指向性面２０ｂｃで反射される２次画像光Ｌｇ２の反射角が広いため、２次画像光Ｌｇ２の光束の周辺の一部が凹面鏡２１に到達せず、凹面鏡２１での反射光が暗くなってしまうために、輝度むらが生じることがある。
【００８５】
そこで、先に図８を用いて説明したように、反射ミラー２０の前方に密着又は接近してフィールドレンズ３０を設置する。この構成とすることで、１次画像光Ｌｇ１’はフィールドレンズ３０の中心軸Ｊよりも一方側に入射された後にフィールドレンズ３０内を通過することにより、２次画像光Ｌｇ２が拡散光とならず反射角が狭まり２次画像光Ｌｇ２の光束の全てが２次像結像用の反射ミラー２０の反射指向性面２０ｂｃ上に到達し、凹面鏡２１での反射光を明るくし、輝度むらの発生を防ぐことができる。この後、凹面鏡２１の凹状反射面２１ａで２次像の虚像ＶＩ（図１）を含む虚像光Ｌｖｉがフロントガラス１へ向けて反射される。
【００８６】
具体的には、図１０（ａ），（ｂ）に示したように、変形例２のヘッドアップディスプレイ１０Ｃ及び画像表示方法において、反射ミラー２０の前方に密着又は接近してフィールドレンズ３０を設置した際に、反射型液晶パネル１７から射出した１次画像光Ｌｇ１がリレーレンズ１８により拡大される。この拡大された１次画像光Ｌｇ１’はフィールドレンズ３０の中心軸Ｊよりも一方側で且つ中心軸Ｊとレンズ外周部位との間の中間部位に入射されてフィールドレンズ３０内を通過して、２次像結像用の反射ミラー２０で反射される。反射された２次画像光Ｌｇ２はフィールドレンズ３０から射出されるが、このときにフィールドレンズ３０の中心軸Ｊとレンズ外周部位との間の中間部位から射出されて凹面鏡２１に向かう反射光の向きは曲がりが小さいので、凹面鏡２１に全て入射される。
【００８７】
この後、凹面鏡２１の凹状反射面２１ａで反射された虚像光Ｌｖｉがフロントガラス１で観察者に向けて反射されるが、このときに観察者の目Ｅの高さを位置Ｆ又は位置Ｇもしくは位置Ｈに動かしても虚像ＶＩをフロントガラス越しに見ることができるので、観察者が姿勢を大きく変えて投影された虚像ＶＩを観察する場合や、体格の異なる別の観察者が投影された虚像ＶＩを観察する場合にも、投影された虚像ＶＩを良好に視認できる。
【００８８】
次に、実施例及び変形例２を一部変形させた変形例３のヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法について、図１１及び図１２を用いて実施例及び変形例２に対して異なる点についてのみ説明する。
【００８９】
尚、図１１及び図１２中で実施例及び変形例２と同一構成部材に対しては同一の符号を付して図示し、詳述を省略する。
【００９０】
図１１及び図１２に示した如く、実施例及び変形例２を一部変形させた変形例３のヘッドアップディスプレイ１０Ｄ及び画像表示方法では、反射型液晶パネル（画像表示素子）１７の前方に設置した変倍光学系となるリレーレンズ１８と、２次像の結像及び結像した２次像を反射する反射ミラー２０との間に、フィールドレンズ３０が反射ミラー２０の前方に密着して設置されていると共に、反射ミラー２０及びフィールドレンズ３０をラック３１に固着させて、このラック３１に噛合した歯車３２の回転により、反射ミラー２０及びフィールドレンズ３０をフィールドレンズ３０の中心軸Ｊと直交する方向に移動可能に構成している点が実施例及び変形例２に対して異なっている。
【００９１】
尚、変形例３では、反射ミラー２０の前方に密着してフィールドレンズ３０を設置した場合について以下説明するが、反射ミラー２０の前方に接近してフィールドレンズ３０を設置しても良く、この場合には少なくともフィールドレンズ３０をこのフィールドレンズ３０の中心軸Ｊと直交して移動可能となるようにフィールドレンズ３０をラック３１に取り付ければ良いものである。
【００９２】
即ち、図１１（ａ），（ｂ）に示した如く、ラック３１に噛合した歯車３２を回転駆動して、反射ミラー２０及びフィールドレンズ３０をフィールドレンズ３０の中心軸Ｊと直交して矢印方向に移動したときに、１次画像光Ｌｇ１’はフィールドレンズ３０の中心軸Ｊよりも一方側で且つ中心軸Ｊよりも離れたレンズ外周部位に入射する。この入射位置は、変形例２の図１０（ｂ）に示すフィールドレンズ３０上の入射位置に対して、よりレンズ外周部位である。フィールドレンズ３０に入射した１次画像光Ｌｇ１は、２次像結像用の反射ミラー２０で反射され２次画像光Ｌｇ２としてフィールドレンズ３０から射出される。この際、フィールドレンズ３０から射出されて凹面鏡２１に向かう反射光の向きは先に説明した図１０（ａ），（ｂ）の場合よりも曲がりが大きい。
【００９３】
この後、凹面鏡２１の凹状反射面２１ａで反射された虚像光Ｌｖｉがフロントガラス１で観察者に向けて反射されるが、このときに観察者の目Ｅの高さを位置Ｍ又は位置Ｎもしくは位置Ｏに動かしても虚像ＶＩをフロントガラス越しに見ることができる。ここで、位置Ｍ又は位置Ｎもしくは位置Ｏは、先の図１０（ａ）に示した位置Ｆ又は位置Ｇもしくは位置Ｈよりも矢印方向となる上方の位置である。
【００９４】
更に、図１２（ａ），（ｂ）に示した如く、フィールドレンズ３０を図１２（ｂ）の実線で示す位置に移動した場合は、図１０（ｂ）同様の位置となるため、観察者の目Ｅの高さ位置をＦ又は位置Ｇもしくは位置Ｈに移動した場合でも投影された虚像ＶＩを良好に視認できる。また、フィールドレンズ３０を図１２（ｂ）の実線で示す位置に移動した場合は、図１１（ｂ）と同様の位置となるため、観察者の目Ｅの高さ位置をＭ又は位置Ｎもしくは位置Ｏに移動した場合でも投影された虚像ＶＩを良好に視認できる
上記した変形例２及び変形例３から、反射ミラー２０の前方に密着又は接近して設置したフィールドレンズ３０は、画像光に対して明るさを均一にする機能と、観察者の目Ｅの高さ位置を大きく変化させた場合でも投影された虚像ＶＩを良好に視認できる機能とを合わせ持つことになる。
【００９５】
この際、フィールドレンズ３０は、図１３（ａ）に示したように、中心軸Ｊを中心に円形に形成されており、凸曲面３０ａが画像光の入出射面となる一方、凸曲面３０ａと反対側の平坦面３０ｂが反射ミラー２０の反射指向性面２０ｂｃに密着又は接近した面となっている。
【００９６】
また、フィールドレンズ３０は、前述したように、画像光の入出射が中心軸Ｊよりも
一方側であるので、必ずしも円形である必要がなく、図１３（ａ）に示したフィールドレンズ３０に代えて図１３（ｂ）に示したような半円形のフィールドレンズ３０’でも良く、このフィールドレンズ３０’の形状に合わせて反射ミラー２０’を形成しても良いものである。
【００９７】
以上詳述した実施例及び変形例１〜３では、画像表示素子に反射型液晶パネル１７を用いた場合を説明したが、画像表示素子に不図示の透過型液晶パネルを用いた場合には、この透過型液晶パネルの画素領域に表示された１次像をリレーレンズにより拡大して２次像を得れば良く、また、画像表示素子に不図示のＤＭＤを用いた場合には多数のミラーによって表示された１次像をリレーレンズにより拡大して２次像を得れば良いものである。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明に係るヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法は、自動車，航空機，電車，工事用車両，その他遊戯装置などにおいて、利用可能性がある。
【符号の説明】
【００９９】
１…フロントガラス、１ａ…投影面（コンバイナ）、
１０Ａ…実施例のヘッドアップディスプレイ、
１０Ｂ…変形例１のヘッドアップディスプレイ、
１０Ｃ…変形例２のヘッドアップディスプレイ、
１０Ｄ…変形例３のヘッドアップディスプレイ、
１１Ａ，１１Ｂ…筐体、１１ａ…開口部、
１２…照明用光源、１３…コリメータレンズ、１４…フィールドレンズ、
１５…偏光板、１６…偏光ビームスプリッタ、
１７…画像表示素子（反射型液晶パネル）、１７ａ…画素領域、
１８…変倍光学系（リレーレンズ）、１９…光路転換用のミラー、
２０…２次像結像用の反射ミラー、２０ａ…光学ガラス基板、２０ｂ…反射層、
２０ｃ…拡散層、２０ｂｃ…反射指向性面、
２１…凹面鏡、２１ａ…凹状反射面、２２…画像信号発生器、２２ａ…画像信号、
３０，３０’…フィールドレンズ、３０ａ…凸曲面、３０ｂ…平坦面、
３１…ラック、３２…歯車、
Ｅ…目、Ｇ１…１次像（１次画像）、Ｇ２…２次像（２次画像）、ＶＩ…２次像の虚像、
Ｌｗ…白色光、Ｌｇ１…１次画像光、Ｌｇ１’…変倍光学系で拡大された１次画像光、
Ｌｇ２…２次画像光、Ｌｖｉ…虚像光、
ｅ…２次像結像用の反射ミラーの拡散層に垂直入射した光線が反射したときの最大反
射強度、θ…拡散角度、±α…半値角、
Ｊ…フィールドレンズ３０又は３０’の中心軸。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、視認性が良いヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車などの車両においては、運転席の前方に運転情報を表示するための各種の表示装置が取り付けられているが、この他に、最近、例えば自動車内でフロントガラス越しに速度情報などの運転情報や、ナビ情報とか、無線を介して送信された道路混雑情報などを虚像で表示できるヘッドアップディスプレイが提案されている。
【０００３】
この種のヘッドアップディスプレイは各種の構造形態があるが、従来例の一例として、運転者の好みに応じて虚像の表示サイズを調節することができるヘッドアップディスプレイがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図１４は従来のヘッドアップディスプレイを示した構成図である。
【０００５】
図１４に示した従来のヘッドアップディスプレイ１００は、特許文献１に開示されているものであり、ここでは特許文献１を参照して簡略に説明する。
【０００６】
図１４に示した如く、従来のヘッドアップディスプレイ１００は、ケーシング１０１内に、移動自在な液晶パネル１０２と、反射鏡１０３と、凹面鏡１０４とを備えている。
【０００７】
この際、運転者がスイッチ１０５を縮小（Ａ）する方向又は拡大（Ｂ）する方向に操作すると、コントローラ１０６からの指令により液晶パネル１０２が反射鏡１０３に対して前後に移動可能になっている。
【０００８】
また、画像処理回路１０７からの画像信号によって液晶パネル１０２に表示された画像は、反射鏡１０３で反射されて光路の方向を変えて凹面鏡１０４に入射され、この後、凹面鏡１０４で反射された画像が光路の方向を更に変えて不図示のフロントウインドシールの視界領域部の裏面に入射されるので、運転者はフロントウインドシールの前方に表示情報を虚像１０８として視認でき、且つ、液晶パネル１０２を前後に移動させることにより、運転者の好みに応じて虚像１０８の表示サイズを調節することができる旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１７５７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、従来のヘッドアップディスプレイ１００によれば、液晶パネル１０２の移動位置に応じてフロントウインドシールの前方に表示された虚像１０８の表示サイズを調節することができるが、液晶パネル１０２を移動させるための移動機構及びこの移動機構を駆動するための駆動源が必要となり、ヘッドアップディスプレイ１００が高価になるという問題がある。
【００１１】
また、従来のヘッドアップディスプレイ１００では、フロントウインドシール上での虚像１０８の表示位置が反射鏡１０３及び凹面鏡１０４の配置関係により固定されているために、運転者の目Ｅの高さ位置のバラツキに対して対応することが困難であるという問題がある。
【００１２】
更に、従来のヘッドアップディスプレイ１００において、フロントウインドシールから運転者の目Ｅの高さ位置までに十分な距離と視野角を確保するためには、凹面鏡１０４の曲率半径を大きくし、倍率を低く抑える必要がある。
【００１３】
一方、フロントウインドシール越しに見える虚像１０８の視認性を良くし、且つ、虚像１０８を大きく表示するには、凹面鏡１０４の曲率半径を小さくして拡大倍率を高くしなければならず、このときに凹面鏡１０４の曲率半径が小さくなると、視点を少し動かすだけで急激に画像の歪が増大すると共に、視野が狭いので虚像１０８が見えにくくなるという問題が生じるので、凹面鏡１０４としては相反するこれらの要求を同時に満足できない。
【００１４】
従って、従来のヘッドアップディスプレイ１００では、虚像１０８の表示サイズを大きくする場合に、液晶パネル１０２を拡大（Ｂ）する方向に移動させることで解決できるが、前述したように、コストアップを招いている。また、虚像１０８を大きく拡大表示すると暗くなるため、晴天時などでは虚像１０８の視認性に問題が生じる。
【００１５】
そこで、画像を表示する画像表示素子（例えば、液晶パネル）を移動させずに、例えば自動車のフロントガラスに形成した投射面上に虚像を大きく表示でき、且つ、観察者（運転者）の目の高さ位置のバラツキに対しても虚像１０８を視認することができると共に、外光が明るい条件下でも虚像に対して視認性が良いヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、第１の発明は、光源（１２）と、
前記光源（１２）から射出した光（Ｌｗ）が画素領域（１７ａ）に入射した際に、外部からの画像信号（２２ａ）に基づいて１次像（Ｇ１）を生成し、生成された前記１次像（Ｇ１）を含む１次画像光（Ｌｇ１）として射出する画像表示素子（１７）と、
前記画像表示素子（１７）から射出した前記１次画像光（Ｌｇ１）を拡大する変倍光学系（１８）と、
前記変倍光学系（１８）で拡大された前記１次画像光（Ｌｇ１）の結像位置に配設され、入射した前記１次画像光（Ｌｇ１）が結像することにより２次像（Ｇ２）を生成し、前記２次像（Ｇ２）を含む２次画像光（Ｌｇ２）として反射する反射ミラー（２０）と、
前記反射ミラー（２０）で反射した前記２次画像光（Ｌｇ２）の光路上に配設され、入射した前記２次画像光（Ｌｇ２）に基づいて前記２次像（Ｇ２）の虚像を生成し、前記虚像を含む虚像光（Ｌｖｉ）として反射して拡大投影する凹面鏡（２１）と、
を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ（１０Ａ又は１０Ｂ）である。
【００１７】
また、第２の発明は、上記した第１の発明のヘッドアップディスプレイ（１０Ａ又は１０Ｂ）において、
前記反射ミラー（２０）に入射した前記１次画像光（Ｌｇ１）が前記２次画像光（Ｌｇ２）として反射する際に、前記２次画像光（Ｌｇ２）が所定の指向性を有して拡散することを特徴とするヘッドアップディスプレイ（１０Ａ又は１０Ｂ）である。
【００１８】
また、第３の発明は、上記した第１又は第２の発明のヘッドアップディスプレイ（１０Ａ又は１０Ｂ）において、
前記反射ミラー（２０）は、前記１次画像光（Ｌｇ１）の入射面側に、基板（２０ａ）上に形成された反射層（２０ｂ）と、前記反射層（２０ｂ）上に積層された拡散層（２０ｃ）とを備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ（１０Ａ又は１０Ｂ）である。
【００１９】
また、第４の発明は、上記した第２又は第３の発明のヘッドアップディスプレイ（１０Ａ又は１０Ｂ）において、
前記反射ミラー（２０）から反射した光の反射強度が最大値となる位置を０度とし、前記反射強度が前記最大値（ｅ）の半分となる角度を半値角（α）とした際に、前記半値角（α）の絶対値が５°以上１０°以下であることを特徴とするヘッドアップディスプレイ（１０Ａ又は１０Ｂ）である。
【００２０】
また、第５の発明は、上記した第１〜第４のいずれかの発明のヘッドアップディスプレイ（１０Ｃ）において、
前記変倍光学系（１８）と前記反射ミラー（２０）との間に前記反射ミラー（２０）の前方に密着又は接近してフィールドレンズ（３０）を設置したことを特徴とするヘッドアップディスプレイである。
【００２１】
また、第６の発明は、上記した第１〜第４のいずれかの発明のヘッドアップディスプレイ（１０Ｄ）において、
前記変倍光学系（１８）と前記反射ミラー（２０）との間に前記反射ミラー（２０）の前方に密着又は接近してフィールドレンズ（３０）を設置すると共に、前記フィールドレンズ（３０）をこのフールドレンズ（３０）の中心軸（Ｊ）と直交した方向に移動可能に構成したことを特徴とするヘッドアップディスプレイである。
【００２２】
更に、第７の発明は、画素領域（１７ａ）に光が入射した際に、外部からの画像信号（２２ａ）に基づいて１次像（Ｇ１）を生成し、生成された前記１次像（Ｇ１）を含む１次画像光（Ｌｇ１）として射出する１次画像光射出ステップと、
前記１次画像光射出ステップで射出した前記１次画像光（Ｌｇ１）を拡大する１次画像光拡大ステップと、
前記１次画像光拡大ステップで拡大した前記１次画像光（Ｌｇ１）が結像することにより２次像（Ｇ２）を生成し、生成した前記２次像（Ｇ２）を含む２次画像光（Ｌｇ２）として指向性を有して拡散反射する拡散反射ステップと、
前記拡散反射ステップで反射した前記２次画像光（Ｌｇ２）を凹状反射面（２１ａ）で更に反射させて、前記２次像の虚像を含む虚像光（Ｌｖｉ）を投影面（１ａ）上に投影する虚像投影ステップと、
を有することを特徴とする画像表示方法である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、小さな画像表示素子を用いても観察者に対し大きな虚像を表示することができると共に、観察者は投影された虚像を歪みなく良好に視認できる。
【００２４】
また、視点をずらしても観察者は虚像を良好に視認することができ、且つ、外光が明るい条件下でも虚像を良好に視認できる。
【００２５】
また、体格の異なる別の観察者が投影された虚像を観察する場合にも、投影された虚像を良好に視認できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る実施例のヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法を説明するために模式的に示した図である。
【図２】図１に示した２次像結像用の反射ミラーを拡大して示した図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は図２に示した２次像結像用の反射ミラーに形成した拡散層の反射指向性を説明するために模式的に示した図である。
【図４】本発明に係る実施例のヘッドアップディスプレイにおいて、２次像結像用の反射ミラーに反射指向性を持たせた場合に、観察者が目を動かしても虚像をフロントガラス越しに見ることができる様子を模式的に示した光線図である。
【図５】本発明に係る実施例のヘッドアップディスプレイを例えば自動車に適用したときの具体的な設計例を説明するための図である。
【図６】本発明に係る実施例のヘッドアップディスプレイにおいて、２次像結像用の反射ミラーに形成した拡散層の半値角に対する明るさと視野半径との関係をシミュレーションしたときの結果を説明するための図である。
【図７】実施例を一部変形させた変形例１のヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法を説明するために模式的に示した図である。
【図８】実施例を一部変形させた変形例２のヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法を説明するために模式的に示した図である。
【図９】実施例を一部変形させた変形例２のヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法に対する比較例を説明するために模式的に示した図である。
【図１０】（ａ），（ｂ）は実施例を一部変形させた変形例２のヘッドアップディスプレイにおいて、２次像結像用の反射ミラーの前方に密着又は接近してフィールドレンズを設置した場合に、観察者が目を動かしても虚像をフロントガラス越しに見ることができる様子を模式的に示した光線図である。
【図１１】（ａ），（ｂ）は実施例及び変形例２を一部変形させた変形例３のヘッドアップディスプレイにおいて、２次像結像用の反射ミラー及びフィールドレンズをフィールドレンズの中心軸と直交させて移動可能に構成した場合に、観察者が目を動かしても虚像をフロントガラス越しに見ることができる様子を模式的に示した光線図である。
【図１２】（ａ），（ｂ）は実施例及び変形例２を一部変形させた変形例３のヘッドアップディスプレイにおいて、図１０に示した状態と図１１に示した状態とを合わせて観察者が目を動かしても虚像をフロントガラス越しに見ることができる様子を模式的に示した光線図である。
【図１３】（ａ），（ｂ）は変形例２及び変形例３に用いられるフィールドレンズ及び反射ミラーを拡大して示した断面図である。
【図１４】従来のヘッドアップディスプレイを示した構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に本発明に係るヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法の一実施例について図１〜図１３を参照して詳細に説明する。
【実施例】
【００２８】
図１に示した如く、本発明に係る実施例のヘッドアップディスプレイ１０Ａは、箱状に形成された筐体１１Ａ内に、照明用光源１２と、コリメータレンズ１３と、フィールドレンズ１４と、偏光板１５と、偏光ビームスプリッタ１６と、画像表示素子１７と、変倍光学系となるリレーレンズ１８と、光路方向を変更する光路転換用のミラー１９と、２次像の結像及び結像した２次像を反射する反射ミラー２０と、凹面鏡２１とを備えている。更に、反射型液晶パネル１７に対して画像信号を送る画像信号発生器２２を備えている。画像信号発生器２２は、筐体１１Ａ内に配置してもよい。
【００２９】
ここで、画像表示素子１７として、反射型液晶パネルや、透過型液晶パネルとか、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）などが適用可能であるが、以下の説明では、画像表示素子１７として高精細な画像を表示することが容易な反射型液晶パネルを適用した例について説明する。
【００３０】
この際、画像信号発生器２２は、自動車内に設けたスピードメータ，各種計器類からの運転情報や、ナビゲーション装置からのナビ情報とか、無線を介して送信された道路混雑情報などを基にして画像信号２２ａを生成している。この画像信号２２ａに基づいて反射型液晶パネル（画像表示素子）１７が駆動されることにより、入射した光が反射型液晶パネル１７で変調され、反射型液晶パネル１７の画素領域１７ａに１次像（１次画像）Ｇ１が表示されるようになっている。
【００３１】
ここで、実施例のヘッドアップディスプレイ１０Ａについて具体的に説明する。照明用光源１２は、メタルハライドランプ，キセノンランプ，ハロゲンランプ，ＬＥＤ（発光ダイオード）などを用いることができ、筐体１１Ａの右下方に配置されている。この照明用１２から射出された無偏光の白色光Ｌｗは、コリメータレンズ１３で平行光に変換された後にフィールドレンズ１４を介して偏光板１５に入射する。入射した無偏光の白色光Ｌｗは、この偏光板１５で一方向の偏光成分である直線偏光、例えばＳ偏光（又はＰ偏光）のみが分離されて透過する。
【００３２】
偏光板１５を透過したＳ偏光（又はＰ偏光）は、偏光ビームスプリッタ１６に入射して、この内部に形成された偏光分離膜１６ａで反射される。反射されたＳ偏光（又はＰ偏光）は、光路の向きを反射型液晶パネル１７の方向に９０°変えられて、フィールドレンズ１４を透過することによって反射型液晶パネル１７の画素領域１７ａを照明している。
【００３３】
尚、偏光板１５を設けない構成も可能であり、この場合には偏光ビームスプリッタ１６の偏光分離１６ａによって無偏光の白色光から一方向の直線偏光を分離すれば良い。
【００３４】
この後、反射型液晶パネル１７では、画像信号発生器２２から送られた画像信号２２ａに基づいて入射した光の偏光状態が変調される。具体的には、入射した光の偏光成分であるＳ偏光（又はＰ偏光）は、画像信号２２ａに基づいて異なる他方向の偏光成分であるＰ偏光（又はＳ偏光）に変換され、１次像Ｇ１が形成される。形成された１次像Ｇ１を含む１次画像光Ｌｇ１は、反射型液晶パネル１７で反射されて射出される。
【００３５】
そして、反射型液晶パネル１７から射出された１次画像光Ｌｇ１は、偏光ビームスプリッタ１６に再び入射する。偏光ビームスプリッタ１６では、１次画像光Ｌｇ１のうち反射型液晶パネル１７で変調された成分として例えばＰ偏光（又はＳ偏光）が、偏光分離１６ａを透過して射出する。射出したＰ偏光（又はＳ偏光）は、リレーレンズ１８に入射して、リレーレンズ１８によって拡大されて、この拡大された１次画像光Ｌｇ１’がミラー１９に入射して光路の方向が２次像結像用の反射ミラー２０の方向に変更されて反射して射出される。光路転換用のミラー１９から射出されて反射ミラー２０に入射したＰ偏光（又はＳ偏光）であり且つ拡大された１次画像光Ｌｇ１’は、反射ミラー２０上に結像して２次像（２次画像）Ｇ２を生成して反射ミラー２０で反射される。
【００３６】
この際、光路転換用のミラー１９は２次像Ｇ２を結像する機能は有してなく、リレーレンズ１８と２次像結像用の反射ミラー２０との配置関係により光路を転換する機能を有しているにすぎないものである。
【００３７】
ここで、上記した２次像結像用の反射ミラー２０は、この実施例の要部を構成する光学部材であり、光を単に反射する通常のミラー（図示せず）を用いてリレーレンズ１８から射出された光で２次像Ｇ２を結像させる構成もあるが、この実施例における２次像結像用の反射ミラー２０では、光が入出射する面に反射指向性を有する反射指向性面２０ｂｃが形成されている。
【００３８】
即ち、２次像結像用の反射ミラー２０は、図２に拡大して示した如く、光学ガラス基板２０ａ上に鏡面状の反射層２０ｂが例えば金属膜により形成され、更に、反射層２０ｂ上に入射した光に対して反射指向性を有して拡散させる拡散層２０ｃが積層されている。
【００３９】
この際、拡散層２０ｃは、光透過性を有しており、入射した光を下方の反射層２０ｂに入射させ、反射層２０ｂで反射させるものであり、表面に微細な凹凸加工を施されたポリマーや、パール素材、微細な粒子を並べたものなどを用いて形成されている。
【００４０】
従って、２次像結像用の反射ミラー２０は、光学ガラス基板２０ａ上に反射層２０ｂと拡散層２０ｃとが積層されることにより、前述したように、光学ガラス基板２０ａ上に反射指向性を有する反射指向性面２０ｂｃが形成されているものとして以下説明する。
【００４１】
尚、光学ガラス基板２０ａ上に形成した反射層２０ｂは、必ずしも金属膜でなくとも入射した光に対して高い反射率を有すれば良いものであり、反射層２０ｂ上に拡散層２０ｃを積層しないで通常のミラーとして用いることも可能である。
【００４２】
尚また、拡散層２０ｃは、上記した各素材に限ることなく、例えば、Ｌｕｍｉｎｉｔ社製の拡散制御フィルム（ＤＣＦ：Ｄｆｆｕｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｏｒｏｌ Ｆｉｌｍ）などを透明接着剤により反射層２０ｂ上に接着しても良い。この拡散制御フィルムは高透過率であり、複数種類の拡散角度が予め用意されているので、所望の拡散角度のものを選択することができ、好適である。
【００４３】
この際、図３（ａ），（ｂ）に示した如く、拡散層２０ｃの拡散角度θに対して反射強度ｅはガウス分布特性を有している。拡散層２０ｃの反射指向性は、半値角±αを用いて評価することができる。
【００４４】
この半値角±αは、拡散層２０ｃに垂直入射した光線が反射したときに最大反射強度ｅとなる角度を０度とし、反射強度が最大反射強度ｅに対して半分の値ｅ／２に低下するときの角度のことであり、入射した光線を中心としてプラス側とマイナス側とに現れる。
【００４５】
この実施例では拡散層２０ｃの半値角±αとして、その絶対値を５゜以上１０°以下に設定しているが、この設定理由については後で詳述する。
【００４６】
ここで再び図１に戻り、２次像結像用の反射ミラー２０上に結像された２次像Ｇ２を含む２次画像光Ｌｇ２について説明する。反射ミラー２０上に結像された２次像（２次画像）Ｇ２は、２次画像光Ｌｇ２となって反射ミラー２０で反射され、この反射ミラー２０で反射された２次画像光Ｌｇ２の光路上に設置された凹面鏡２１に向けて射出する。
【００４７】
更に、凹面鏡２１に入射した２次像Ｇ２を含む２次画像光Ｌｇ２は、２次像の虚像ＶＩを生成し、凹面鏡２１の凹状反射面２１ａで反射されて、２次像の虚像ＶＩを含む虚像光Ｌｖｉが筐体１１Ａの上方に開口した開口部１１ａを通って例えば自動車に設けられた光透過性を有するフロントガラス１上で観察者（運転者）側に形成した投影面１ａ上に投影される。
【００４８】
この際、フロントガラス１に形成した投影面１ａの領域は、「コンバイナ」とも呼ばれている。このコンバイナは、例えば、光透過性を有する金属膜や誘電多層膜またはホログラムフィルムより形成され、一部を透過し一部を反射する特性を有する。またコンバイナはフロントガラス１の一部の領域に形成しても良いし、又は、フロントガラス全体に形成しても良い。
【００４９】
この後、フロントガラス１に形成した投影面１ａ上に投影された２次像の虚像ＶＩを含む虚像光Ｌｖｉの一部は、投影面１ａで観察者（運転者）側に反射されて観察者の目Ｅに入るので、観察者はフロントガラス越しに２次像の虚像光Ｌｖｉ、即ち、３次像を観察することができる。
【００５０】
従って、本発明に係る画像表示方法では、画素領域１７ａに表示された１次像Ｇ１を含む１次画像光Ｌｇ１を射出するステップと、１次像Ｇ１を含む１次画像光Ｌｇ１を拡大して２次像Ｇ２を含む２次画像光Ｌｇ２を得るステップと、２次像Ｇ２を含む２次画像光Ｌｇ２を、反射指向性を有する反射指向性面２０ｂｃ上に結像して反射させるステップと、反射指向性面２０ｂｃで反射した２次像Ｇ２を含む２次画像光Ｌｇ２を凹状反射面２１ａで反射させて、２次像の虚像ＶＩを含む虚像光Ｌｖｉを投影面１ａ上に投影するステップと、を有している。
【００５１】
この際、実施例の比較例として２次像結像用に単純なミラー（図示せず）を用いた場合には、２次像Ｇ２を含む２次像光Ｌｇ２が単純なミラー（図示せず）で反射したときの反射光が直進するために観察者（運転者）の目Ｅが設計高さ位置にある場合は虚像ＶＩを観察できるが、少しでも目Ｅの高さ位置がずれると光が届かなくなるために虚像ＶＩを観察できにくくなるという傾向がある。
【００５２】
そこで、上記に対してこの実施例では、２次像Ｇ２を含む２次像光Ｌｇ２が２次像結像用の反射ミラー２０上に形成した反射指向性面２０ｂｃで拡散しながら反射するときの半値角±α（図３）を適宜設定することにより、観察者の目Ｅの高さ位置の移動に対応して虚像ＶＩを十分に視認することができるように改善されている。
【００５３】
尚、反射指向性面２０ｂｃを仮に完全拡散面のように拡散性を広く持たせすぎると、実際に反射した光線のうち観察者の目Ｅに届く光は極わずかとなって、２次像Ｇ２の明るさのほとんどを捨てることになり、観察される虚像ＶＩが非常に暗い画像になってしまう。
【００５４】
即ち、図４は、本発明に係る実施例のヘッドアップディスプレイ１０Ａにおいて、２次像結像用の反射ミラー２０に反射指向性を持たせた場合に、観察者が目Ｅを動かしても虚像ＶＩをフロントガラス越しに見ることができる様子を光線図で模式的に表したものである。
【００５５】
図４において、観察者の目Ｅの高さ位置Ａが虚像ＶＩ−ａを観察する本来の設計位置であるが、観察者の目Ｅの高さを位置Ｂあるいは位置Ｃに動かした場合でも、２次像光Ｌｇ２の反射光が指向性を有して拡散されているので、観察者は虚像ＶＩ−ｂ，ＶＩ−ｃをそれぞれの位置で視認することができる。
【００５６】
この際、２次像結像用の反射ミラー２０に形成した拡散層２０ｃの半値角±αの絶対値は、後述する理由により５°以上１０°以下に設定しているが、拡散層２０ｃの半値角±αの絶対値を例えば１０°に設定した場合に、観察者の目Ｅの高さ位置を図中に視野半径で表示した上下（位置Ａから位置Ｂ方向あるいは位置Ｃ方向）にそれぞれ約１００ｍｍ程度動かしても、明るさがほとんど低下しないようにすることができる。ここで、視野半径は、観察者の目Ｅの高さ位置を設計位置である位置Ａから上（位置Ｂ）方向、下（位置Ｃ）方向に移動させた際の、目Ｅの高さ位置の移動範囲の半分の値のことである。
【００５７】
尚、上記した視野半径は、凹面鏡２１の曲率を変えることで調整可能であり、曲率を小さく、言い換えると、曲率半径を大きくすれば、視野半径値を大きく設定できるが、ヘッドアップディスプレイ１０Ａが大型化してしまう。そこで、具体的な設計例を下記する。
【００５８】
次に、実施例のヘッドアップディスプレイ１０Ａを例えば自動車に適用したときの具体的な設計例について図５を用いて説明する。
【００５９】
図５に示した如く、実施例のヘッドアップディスプレイ１０Ａにおいて、反射型液晶パネル１７は矩形状の画素領域１７ａの外形サイズが対角１８ｍｍであり、この画素領域１７ａに表示された１次像Ｇ１をリレーレンズ１８により拡大して２倍の対角３６ｍｍの２次像Ｇ２を反射ミラー２０の反射指向性面２０ｂｃ上に結像させる。
【００６０】
また、凹面鏡２１の凹状反射面２１ａの曲率半径は５００ｍｍである。
【００６１】
ここで、観察者の目Ｅの高さ位置からフロントガラス１の投影面１ａの中心位置までの長さをａ、フロントガラス１の投影面１ａの中心位置から虚像ＶＩの位置までの長さをｂ、凹面鏡２１の凹状反射面２１ａの中心位置からフロントガラス１の投影面１ａの中心位置までの長さをｃ、２次像結像用の反射ミラー２０の反射指向性面２０ｂｃから凹面鏡２１の凹状反射面２１ａの中心位置までの長さをｄとする。
【００６２】
そして、上記したａ，ｃ，ｄの各寸法を、ａ＝４５０ｍｍ，ｃ＝３００ｍｍ，ｄ＝２００ｍｍに設定すると、ｂの寸法はｂ＝１５５０ｍｍとなる。
【００６３】
つまり、フロントガラス１の投影面１ａから１５５０ｍｍ先の位置に虚像ＶＩが形成される。即ち、これは観察者の目Ｅの高さ位置から２メートル先に縦１１２ｍｍ、横１４０ｍｍの虚像Ｖ１が形成されることであり、フロントガラス１から観察者までは４５０ｍｍと十分な距離を確保することができる。
【００６４】
また、虚像Ｖ１のサイズは、反射型液晶パネル１７の画素領域１７ａに表示された１次像Ｇ１に対して約１０倍に拡大されて投影されることになる。
【００６５】
ここで、上記したように実施例のヘッドアップディスプレイ１０Ａを設計した際に、先に図１及び図２を用いて示した２次像結像用の反射ミラー２０に形成した拡散層２０ｃの半値角に対する明るさと視野半径との関係をシミュレーションしたときの結果について図６を用いて説明する。
【００６６】
図６中において、横軸は拡散層２０ｃの半値角±αの絶対値α［°］を示し、縦軸の左側は明るさ［ｃｄ／ｍ２：カンデラ/平方メートル］を示し、縦軸の右側は視野半径［ｍｍ］を示している。
【００６７】
この際、光源１２（図１）に５０ワットのランプを用いている。この図６が示すように、２次像結像用の反射ミラー２０に形成した拡散層２０ｃの拡散性を広げることで視野すなわち、虚像ＶＩ（図１）を視認できる範囲の半径は広がるが、半値角αが１０°で視野半径（■印）が飽和することがわかる。
【００６８】
一方、明るさ（○印）は、半値角αの二乗で減衰していくので、指向性を広げると急激に明るさが低下することがわかる。昼の明るいときでも虚像ＶＩ（図１）を視認できるためには５０００ｃｄ／ｍ２以上、望ましくは１００００ｃｄ／ｍ２の輝度が必要とされる。
【００６９】
また、運転時に頭を動かすことを考えると、視野半径は５０ｍｍ以上、望ましくは１００ｍｍ以上を確保することが望ましい。これらを勘案すると半値角±αの絶対値は５°以上１０°以下が望ましく、これにより輝度と視野の広さを両立することができる。
【００７０】
これにより、２次像結像用の反射ミラー２０に形成した拡散層２０ｃの半値角±αの絶対値を５°以上１０°以下に設定することで、虚像ＶＩの視認範囲を広げることが可能となるので、観察者の目Ｅの高さ位置のバラツキに対応できると共に、当然、観察者の身長の違いなどにも対応できる。
【００７１】
この際、明るさは、光源１２（図１）のパワーを上げることによっても調整可能であるが、車内での利用や環境対応を考えると省電力化が重要であり、消費電力を低減することが必要である。そのため、実施例では２次像結像用の反射ミラー２０上に反射指向性を有する反射指向性面２０ｂｃを形成して明るさを確保することで、外光が明るい条件下でも虚像ＶＩに対して視認性が良いヘッドアップディスプレイ１０Ａを提供可能としている。
【００７２】
上記したように、実施例のヘッドアップディスプレイ１０Ａ及び画像表示方法によれば、反射型液晶パネル１７の画素領域１７ａに表示された１次像Ｇ１を含む１次画像光Ｌｇ１をリレーレンズ１８により拡大して２次像結像用の反射ミラー２０上に２次像Ｇ２を形成して２次像Ｇ２を含む２次画像光Ｌｇ２として反射させた後に、２次像Ｇ２を含む２次画像光Ｌｇ２を凹面鏡２１の凹状反射面２１ａで反射させて２次像の虚像ＶＩを含む虚像光Ｌｖｉをフロントガラス１の投影面１ａ上に投影している。
【００７３】
この結果、１次像Ｇ１を拡大した２次像Ｇ２を形成することによって、小さな反射型液晶パネル（画像表示素子）１７を用いても最終的に観察者に対し大きな虚像ＶＩを表示することができると共に、凹面鏡２１による拡大倍率を低く抑えることができる。そのため、観察者からフロントガラス１の投影面１ａまでの間に十分な距離を取ることができるので、観察者は投影された虚像ＶＩを歪みなく良好に視認できる。
【００７４】
この際、２次像結像用の反射ミラー２０の反射指向性面２０ｂｃは反射指向性を有し、２次像Ｇ２を含む２次画像光Ｌｇ２を拡散しながら指向性を持って凹面鏡２１側に反射させるので、観察者が視点を多少ずらしても凹面鏡２１を介して投影された虚像ＶＩを良好に視認することができる。更に、虚像ＶＩを効率的に観察者の目に届けることができるので、外光が明るい条件下でも虚像ＶＩに対して視認性が良いヘッドアップディスプレイ１０Ａを提供することができる。
【００７５】
次に、実施例を一部変形させた変形例１のヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法について、図７を用いて実施例に対して異なる点についてのみ説明する。
【００７６】
尚、図７中で実施例と同一構成部材に対しては同一の符号を付して図示し、詳述を省略する。
【００７７】
図７に示した如く、実施例を一部変形させた変形例１のヘッドアップディスプレイ１０Ｂ及び画像表示方法では、箱状に形成した筐体１１Ｂ内の図７における右下方に、反射型液晶パネル（画像表示素子）１７が配置されており、反射型液晶パネル１７の画素領域１７ａに表示された１次像Ｇ１を含む１次画像光Ｌｇ１をリレーレンズ１８により拡大する。拡大された１次画像光Ｌｇ１’は、このリレーレンズ１８と対向して筐体１１Ｂ内の右上方に配置した２次像結像用の反射ミラー２０に入射して反射ミラー２０上に２次像Ｇ２が結像される。
【００７８】
そのため、実施例で説明した光路転換用のミラー１９を設ける必要がないので、変形例１のヘッドアップディスプレイ１０Ｂを簡素化及び小型化できる点が実施例に対して異なっている。
【００７９】
従って、この変形例１でも実施例と同様に、変形例１のヘッドアップディスプレイ１０Ｂを用いてフロントガラス越しに虚像ＶＩを表示する場合には、反射型液晶パネル１７の画素領域１７ａに表示された１次像Ｇ１を含む１次画像光Ｌｇ１をリレーレンズ１８により拡大して反射ミラー２０上に２次像Ｇ２を形成し、反射ミラー２０で反射された２次像Ｇ２を含む２次画像光Ｌｇ２を凹面鏡２１の凹状反射面２１ａで反射させて２次像の虚像ＶＩを含む虚像光Ｌｖｉをフロントガラス１の投影面１ａ上に投影しているので、実施例と同様の効果を得ることができる。
【００８０】
次に、実施例を一部変形させた変形例２のヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法について、図８〜図１０を用いて実施例に対して異なる点についてのみ説明する。
【００８１】
尚、図８〜図１０中で実施例と同一構成部材に対しては同一の符号を付して図示し、詳述を省略する。
【００８２】
図８に示した如く、実施例を一部変形させた変形例２のヘッドアップディスプレイ１０Ｃ及び画像表示方法では、反射型液晶パネル（画像表示素子）１７の前方に設置した変倍光学系となるリレーレンズ１８と、光学ガラス基板２０ａ上に反射層２０ｂ及び拡散層２０ｃを積層して２次像の結像及び結像した２次像を反射する反射ミラー２０との間に、フィールドレンズ３０が反射ミラー２０の反射指向性面２０ｂｃに密着又は接近して設置されている点が実施例に対して異なっている。
【００８３】
一方、変形例２の比較例として、図９に示したように光学ガラス基板２０ａ上に反射層２０ｂ及び拡散層２０ｃを積層した反射ミラー２０の前方にフィールドレンズを設置しない場合には、先の実施例及び実施例を一部変形させた変形例１に相当するものである。
【００８４】
即ち、図９に示した如く、反射型液晶パネル１７の画素領域１７ａに表示された１次像Ｇ１を含む１次画像光Ｌｇ１がリレーレンズ１８により拡大され、この拡大された１次画像光Ｌｇ１’は２次像結像用の反射ミラー２０の反射指向性面２０ｂｃ上に２次像Ｇ２として結像される。２次像Ｇ２を含む２次画像光Ｌｇ２は反射ミラー２０の反射指向性面２０ｂｃで拡散光として反射された後に、拡散光である２次画像光Ｌｇ２が凹面鏡２１の凹状反射面２１ａに入射する。この際、反射ミラー２０の前方にフィールドレンズがないと、反射ミラー２０の反射指向性面２０ｂｃで反射される２次画像光Ｌｇ２の反射角が広いため、２次画像光Ｌｇ２の光束の周辺の一部が凹面鏡２１に到達せず、凹面鏡２１での反射光が暗くなってしまうために、輝度むらが生じることがある。
【００８５】
そこで、先に図８を用いて説明したように、反射ミラー２０の前方に密着又は接近してフィールドレンズ３０を設置する。この構成とすることで、１次画像光Ｌｇ１’はフィールドレンズ３０の中心軸Ｊよりも一方側に入射された後にフィールドレンズ３０内を通過することにより、２次画像光Ｌｇ２が拡散光とならず反射角が狭まり２次画像光Ｌｇ２の光束の全てが２次像結像用の反射ミラー２０の反射指向性面２０ｂｃ上に到達し、凹面鏡２１での反射光を明るくし、輝度むらの発生を防ぐことができる。この後、凹面鏡２１の凹状反射面２１ａで２次像の虚像ＶＩ（図１）を含む虚像光Ｌｖｉがフロントガラス１へ向けて反射される。
【００８６】
具体的には、図１０（ａ），（ｂ）に示したように、変形例２のヘッドアップディスプレイ１０Ｃ及び画像表示方法において、反射ミラー２０の前方に密着又は接近してフィールドレンズ３０を設置した際に、反射型液晶パネル１７から射出した１次画像光Ｌｇ１がリレーレンズ１８により拡大される。この拡大された１次画像光Ｌｇ１’はフィールドレンズ３０の中心軸Ｊよりも一方側で且つ中心軸Ｊとレンズ外周部位との間の中間部位に入射されてフィールドレンズ３０内を通過して、２次像結像用の反射ミラー２０で反射される。反射された２次画像光Ｌｇ２はフィールドレンズ３０から射出されるが、このときにフィールドレンズ３０の中心軸Ｊとレンズ外周部位との間の中間部位から射出されて凹面鏡２１に向かう反射光の向きは曲がりが小さいので、凹面鏡２１に全て入射される。
【００８７】
この後、凹面鏡２１の凹状反射面２１ａで反射された虚像光Ｌｖｉがフロントガラス１で観察者に向けて反射されるが、このときに観察者の目Ｅの高さを位置Ｆ又は位置Ｇもしくは位置Ｈに動かしても虚像ＶＩをフロントガラス越しに見ることができるので、観察者が姿勢を大きく変えて投影された虚像ＶＩを観察する場合や、体格の異なる別の観察者が投影された虚像ＶＩを観察する場合にも、投影された虚像ＶＩを良好に視認できる。
【００８８】
次に、実施例及び変形例２を一部変形させた変形例３のヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法について、図１１及び図１２を用いて実施例及び変形例２に対して異なる点についてのみ説明する。
【００８９】
尚、図１１及び図１２中で実施例及び変形例２と同一構成部材に対しては同一の符号を付して図示し、詳述を省略する。
【００９０】
図１１及び図１２に示した如く、実施例及び変形例２を一部変形させた変形例３のヘッドアップディスプレイ１０Ｄ及び画像表示方法では、反射型液晶パネル（画像表示素子）１７の前方に設置した変倍光学系となるリレーレンズ１８と、２次像の結像及び結像した２次像を反射する反射ミラー２０との間に、フィールドレンズ３０が反射ミラー２０の前方に密着して設置されていると共に、反射ミラー２０及びフィールドレンズ３０をラック３１に固着させて、このラック３１に噛合した歯車３２の回転により、反射ミラー２０及びフィールドレンズ３０をフィールドレンズ３０の中心軸Ｊと直交する方向に移動可能に構成している点が実施例及び変形例２に対して異なっている。
【００９１】
尚、変形例３では、反射ミラー２０の前方に密着してフィールドレンズ３０を設置した場合について以下説明するが、反射ミラー２０の前方に接近してフィールドレンズ３０を設置しても良く、この場合には少なくともフィールドレンズ３０をこのフィールドレンズ３０の中心軸Ｊと直交して移動可能となるようにフィールドレンズ３０をラック３１に取り付ければ良いものである。
【００９２】
即ち、図１１（ａ），（ｂ）に示した如く、ラック３１に噛合した歯車３２を回転駆動して、反射ミラー２０及びフィールドレンズ３０をフィールドレンズ３０の中心軸Ｊと直交して矢印方向に移動したときに、１次画像光Ｌｇ１’はフィールドレンズ３０の中心軸Ｊよりも一方側で且つ中心軸Ｊよりも離れたレンズ外周部位に入射する。この入射位置は、変形例２の図１０（ｂ）に示すフィールドレンズ３０上の入射位置に対して、よりレンズ外周部位である。フィールドレンズ３０に入射した１次画像光Ｌｇ１は、２次像結像用の反射ミラー２０で反射され２次画像光Ｌｇ２としてフィールドレンズ３０から射出される。この際、フィールドレンズ３０から射出されて凹面鏡２１に向かう反射光の向きは先に説明した図１０（ａ），（ｂ）の場合よりも曲がりが大きい。
【００９３】
この後、凹面鏡２１の凹状反射面２１ａで反射された虚像光Ｌｖｉがフロントガラス１で観察者に向けて反射されるが、このときに観察者の目Ｅの高さを位置Ｍ又は位置Ｎもしくは位置Ｏに動かしても虚像ＶＩをフロントガラス越しに見ることができる。ここで、位置Ｍ又は位置Ｎもしくは位置Ｏは、先の図１０（ａ）に示した位置Ｆ又は位置Ｇもしくは位置Ｈよりも矢印方向となる上方の位置である。
【００９４】
更に、図１２（ａ），（ｂ）に示した如く、フィールドレンズ３０を図１２（ｂ）の実線で示す位置に移動した場合は、図１０（ｂ）同様の位置となるため、観察者の目Ｅの高さ位置をＦ又は位置Ｇもしくは位置Ｈに移動した場合でも投影された虚像ＶＩを良好に視認できる。また、フィールドレンズ３０を図１２（ｂ）の実線で示す位置に移動した場合は、図１１（ｂ）と同様の位置となるため、観察者の目Ｅの高さ位置をＭ又は位置Ｎもしくは位置Ｏに移動した場合でも投影された虚像ＶＩを良好に視認できる
上記した変形例２及び変形例３から、反射ミラー２０の前方に密着又は接近して設置したフィールドレンズ３０は、画像光に対して明るさを均一にする機能と、観察者の目Ｅの高さ位置を大きく変化させた場合でも投影された虚像ＶＩを良好に視認できる機能とを合わせ持つことになる。
【００９５】
この際、フィールドレンズ３０は、図１３（ａ）に示したように、中心軸Ｊを中心に円形に形成されており、凸曲面３０ａが画像光の入出射面となる一方、凸曲面３０ａと反対側の平坦面３０ｂが反射ミラー２０の反射指向性面２０ｂｃに密着又は接近した面となっている。
【００９６】
また、フィールドレンズ３０は、前述したように、画像光の入出射が中心軸Ｊよりも
一方側であるので、必ずしも円形である必要がなく、図１３（ａ）に示したフィールドレンズ３０に代えて図１３（ｂ）に示したような半円形のフィールドレンズ３０’でも良く、このフィールドレンズ３０’の形状に合わせて反射ミラー２０’を形成しても良いものである。
【００９７】
以上詳述した実施例及び変形例１〜３では、画像表示素子に反射型液晶パネル１７を用いた場合を説明したが、画像表示素子に不図示の透過型液晶パネルを用いた場合には、この透過型液晶パネルの画素領域に表示された１次像をリレーレンズにより拡大して２次像を得れば良く、また、画像表示素子に不図示のＤＭＤを用いた場合には多数のミラーによって表示された１次像をリレーレンズにより拡大して２次像を得れば良いものである。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明に係るヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法は、自動車，航空機，電車，工事用車両，その他遊戯装置などにおいて、利用可能性がある。
【符号の説明】
【００９９】
１…フロントガラス、１ａ…投影面（コンバイナ）、
１０Ａ…実施例のヘッドアップディスプレイ、
１０Ｂ…変形例１のヘッドアップディスプレイ、
１０Ｃ…変形例２のヘッドアップディスプレイ、
１０Ｄ…変形例３のヘッドアップディスプレイ、
１１Ａ，１１Ｂ…筐体、１１ａ…開口部、
１２…照明用光源、１３…コリメータレンズ、１４…フィールドレンズ、
１５…偏光板、１６…偏光ビームスプリッタ、
１７…画像表示素子（反射型液晶パネル）、１７ａ…画素領域、
１８…変倍光学系（リレーレンズ）、１９…光路転換用のミラー、
２０…２次像結像用の反射ミラー、２０ａ…光学ガラス基板、２０ｂ…反射層、
２０ｃ…拡散層、２０ｂｃ…反射指向性面、
２１…凹面鏡、２１ａ…凹状反射面、２２…画像信号発生器、２２ａ…画像信号、
３０，３０’…フィールドレンズ、３０ａ…凸曲面、３０ｂ…平坦面、
３１…ラック、３２…歯車、
Ｅ…目、Ｇ１…１次像（１次画像）、Ｇ２…２次像（２次画像）、ＶＩ…２次像の虚像、
Ｌｗ…白色光、Ｌｇ１…１次画像光、Ｌｇ１’…変倍光学系で拡大された１次画像光、
Ｌｇ２…２次画像光、Ｌｖｉ…虚像光、
ｅ…２次像結像用の反射ミラーの拡散層に垂直入射した光線が反射したときの最大反
射強度、θ…拡散角度、±α…半値角、
Ｊ…フィールドレンズ３０又は３０’の中心軸。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から射出した光が画素領域に入射した際に、外部からの画像信号に基づいて１次像を生成し、生成された前記１次像を含む１次画像光として射出する画像表示素子と、
前記画像表示素子から射出した前記１次画像光を拡大する変倍光学系と、
前記変倍光学系で拡大された前記１次画像光の結像位置に配設され、入射した前記１次画像光が結像することにより２次像を生成し、前記２次像を含む２次画像光として反射する反射ミラーと、
前記反射ミラーで反射した前記２次画像光の光路上に配設され、入射した前記２次画像光に基づいて前記２次像の虚像を生成し、前記虚像を含む虚像光として反射して拡大投影する凹面鏡と、
を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
【請求項２】
前記反射ミラーに入射した前記１次画像光が前記２次画像光として反射する際に、前記２次画像光が所定の指向性を有して拡散することを特徴とする請求項１記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項３】
前記反射ミラーは、前記１次画像光の入射面側に、基板上に形成された反射層と、前記反射層上に積層された拡散層とを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項４】
前記反射ミラーから反射した光の反射強度が最大値となる位置を０度とし、前記反射強度が前記最大値の半分となる角度を半値角とした際に、前記半値角の絶対値が５°以上１０°以下であることを特徴とする請求項２又は請求項３記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項５】
前記変倍光学系と前記反射ミラーとの間に前記反射ミラーの前方に密着又は接近してフィールドレンズを設置したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項６】
前記変倍光学系と前記反射ミラーとの間に前記反射ミラーの前方に密着又は接近してフィールドレンズを設置すると共に、前記フィールドレンズをこのフールドレンズの中心軸と直交した方向に移動可能に構成したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項７】
画素領域に光が入射した際に、外部からの画像信号に基づいて１次像を生成し、生成された前記１次像を含む１次画像光として射出する１次画像光射出ステップと、
前記１次画像光射出ステップで射出した前記１次画像光を拡大する１次画像光拡大ステップと、
前記１次画像光拡大ステップで拡大した前記１次画像光が結像することにより２次像を生成し、生成した前記２次像を含む２次画像光として指向性を有して拡散反射する拡散反射ステップと、
前記拡散反射ステップで反射した前記２次画像光を凹状反射面で更に反射させて、前記２次像の虚像を含む虚像光を投影面上に投影する虚像投影ステップと、
を有することを特徴とする画像表示方法。
【請求項１】
光源と、
前記光源から射出した光が画素領域に入射した際に、外部からの画像信号に基づいて１次像を生成し、生成された前記１次像を含む１次画像光として射出する画像表示素子と、
前記画像表示素子から射出した前記１次画像光を拡大する変倍光学系と、
前記変倍光学系で拡大された前記１次画像光の結像位置に配設され、入射した前記１次画像光が結像することにより２次像を生成し、前記２次像を含む２次画像光として反射する反射ミラーと、
前記反射ミラーで反射した前記２次画像光の光路上に配設され、入射した前記２次画像光に基づいて前記２次像の虚像を生成し、前記虚像を含む虚像光として反射して拡大投影する凹面鏡と、
を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
【請求項２】
前記反射ミラーに入射した前記１次画像光が前記２次画像光として反射する際に、前記２次画像光が所定の指向性を有して拡散することを特徴とする請求項１記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項３】
前記反射ミラーは、前記１次画像光の入射面側に、基板上に形成された反射層と、前記反射層上に積層された拡散層とを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項４】
前記反射ミラーから反射した光の反射強度が最大値となる位置を０度とし、前記反射強度が前記最大値の半分となる角度を半値角とした際に、前記半値角の絶対値が５°以上１０°以下であることを特徴とする請求項２又は請求項３記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項５】
前記変倍光学系と前記反射ミラーとの間に前記反射ミラーの前方に密着又は接近してフィールドレンズを設置したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項６】
前記変倍光学系と前記反射ミラーとの間に前記反射ミラーの前方に密着又は接近してフィールドレンズを設置すると共に、前記フィールドレンズをこのフールドレンズの中心軸と直交した方向に移動可能に構成したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項７】
画素領域に光が入射した際に、外部からの画像信号に基づいて１次像を生成し、生成された前記１次像を含む１次画像光として射出する１次画像光射出ステップと、
前記１次画像光射出ステップで射出した前記１次画像光を拡大する１次画像光拡大ステップと、
前記１次画像光拡大ステップで拡大した前記１次画像光が結像することにより２次像を生成し、生成した前記２次像を含む２次画像光として指向性を有して拡散反射する拡散反射ステップと、
前記拡散反射ステップで反射した前記２次画像光を凹状反射面で更に反射させて、前記２次像の虚像を含む虚像光を投影面上に投影する虚像投影ステップと、
を有することを特徴とする画像表示方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−２５６８６７（Ｐ２０１０−２５６８６７Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４９２１５（Ｐ２０１０−４９２１５）
【出願日】平成２２年３月５日（２０１０．３．５）
【出願人】（０００００４３２９）日本ビクター株式会社 (3,896)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月５日（２０１０．３．５）
【出願人】（０００００４３２９）日本ビクター株式会社 (3,896)
【Ｆターム（参考）】
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